变压器引线及绕组复合漏磁场引起的局部过热研究

周训通，胥建文，孙大伟，吕 斌，臧 英

（山东电力设备有限公司，山东 济南 250001）

变压器引线及绕组复合漏磁场引起的局部过热研究

周训通，胥建文，孙大伟，吕 斌，臧 英

（山东电力设备有限公司，山东 济南 250001）

采用有限元仿真方法，以一台存在局部过热的电力变压器为例建立电磁场仿真模型，研究大电流引线及绕组在结构件中产生的漏磁场，对局部过热进行分析，提出防止局部过热的改进措施，并将仿真结果与实测值进行对比，验证了仿真计算结果的准确性。

变压器；引线；绕组；漏磁场；局部过热；仿真

0 引言

随着我国电力事业的不断发展，机组容量不断增大，相应单台电力变压器的容量也随之增加，引线电流不断增大，有的甚至高达几万安培，引线和绕组中的电流会在临近的导磁结构件中产生很强的漏磁场和分布不均的杂散损耗［1］。如果变压器结构设计不合理、屏蔽不完善，就会因结构件涡流损耗过大而导致局部温升过高，使变压器油劣化，产生气体，进而出现运行事故。针对变压器漏磁导致的结构件局部过热的研究，许多文献中只是单独对绕组或引线漏磁进行了分析［2-4］，单独进行绕组或引线的漏磁场分析计算是不完整的，两者需要同时考虑才能体现完整的电磁场。

对于变压器漏磁导致的金属构件局部过热的研究分析，需要进行复杂的电磁场计算，从公开发表的文献来看，这类问题的研究的方法主要有试验法、解析法和计算机仿真法。试验法一般成本较高，而且需要较长的时间；解析法往往只能在大量简化基础上得到应用，并不能对复杂结构的电磁场进行准确计算，误差较大，效率较低；近年来，随着计算机硬件和软件技术的快速发展，使得使用计算机进行电磁仿真计算成为一种趋势，仿真计算不但可以降低成本，节省大量时间，还可以更为方便直接地得到相关数据结果。

变压器中磁场主要由绕组和引线电流产生。绕组电流产生的磁势可分解为建立主磁场的磁势和建立漏磁场的磁势，同时引线电流也会产生漏磁势。绕组电流和引线电流产生的漏磁通是互相影响，互相交链的［5］，两者需要同时考虑才能模拟出较为真实的电磁场，尤其是引线空间结构复杂时更需要综合考虑，而变压器漏磁场仿真的难点也正在于绕组和结构复杂的引线同时励磁时的复杂漏磁场分析计算。针对这种情况，以一台出现局部过热的SFZ-120000／230变压器为例，采用有限元法进行绕组和引线复合漏磁场仿真研究，提出改进措施，从而避免在后续设计中出现结构件局部过热的情况。避免结构件局部过热对于保证变压器的安全可靠运行，降低损耗，提高产品性能，对增强变压器产品在国内外市场的竞争力有重要意义。

1 变压器技术参数及模型建立

仿真采用加拿大Inforlytica公司的MagNet电磁仿真软件，并参考TEAM Problem 21基准模型的仿真比较经验（如材料属性、网格划分和求解等）［6］。

1.1 电磁场求解原理

仿真计算采用基于T-Ω位组的三维求解算法，该算法特点是使用了基于1阶到3阶插值多项式的层叠元［1］。在该方法中，磁场强度被描述为两部分和的形式：一部分为标量位的梯度，另一部分为在导体区将矢量场用矢量楞单元表示。对于导电部件，如母线和油箱等，求解为

式中：σ为材料的电导率；ε为材料介电常数；μ为材料的磁导率。

对于多匝线圈区域，假定线圈中的电流密度是均匀的，可得

式中：JS为线圈中电流密度。为了准确计算磁场强度，三维模型线圈中电流密度可以被看作螺旋上升的螺线管内的电流密度，磁场强度H为

通过迭代计算找出一个满足式（4）的源场HS，并且标量位φ用式（6）来求解。

1.2 主要技术参数及模型

该出现局部过热的变压器为油浸式、三相、双绕组、有载调压变压器，主要技术参数如表1所示。

三维模型由铁心、线圈、夹件、拉板、夹件磁屏蔽（板式）、油箱磁屏蔽、低压引线、升高座、油箱组成，外部建立空气包，如图1所示。主要结构件材质如表2所示。同时对模型做假设［7］：由于结构对称，且有低压引线，建立整体的1／2模型（低压侧）；部分结构件进行了简化，如去除倒角、螺栓、小结构件等；计算时忽略绕组环流和高次谐波等的影响；总安匝之和近似为零。

表1 变压器主要参数

图1 油浸式电力变压器模型

表2 材料属性参数表

在变压器油箱出现局部过热情况后，将低压升高座下部箱盖割去680mm×3 200mm矩形区域，补焊相同尺寸的低磁钢板，并对原设计和采取改进措施后两种情况的模型分别进行了仿真计算。

1.3 绕组及低压引线

变压器线圈排列顺序由内到外分别为低压线圈、高压线圈、调压线圈，其中高压线圈、低压线圈为端部出线，调压线圈为正反调结构，联结组别YNd1，如图2所示。低压线圈为单螺旋式，幅向4根并绕。绕组按实际电抗高度和辐向尺寸建模，并在模型中分别赋安匝和电流，三相正弦波电流相位相差 120°。

低压绕组端部和底部出线按幅向并排的4根导线建模，并与铜排连接，上下铜排之间通过铜管连接，变压器外部三相套管出线处端部使用铜排连接，绕组和低压引线的赋值平面与空气包边界重合，在模型中分别赋安匝和电流，三相正弦波电流相位相差 120°。

低压绕组端部和底部出线按幅向并排的4根导线建模，并与铜排连接，上下铜排之间通过铜管连接，变压器外部三相套管出线处端部使用铜排连接，绕组和低压引线的赋值平面与空气包边界重合，在求解域内形成闭合回路，如图3所示。在MagNet软件中，采用场路耦合方式进行求解，低压引线连接电路设置如图4所示，引线中赋正弦低压电流峰值，三相引线电流相差120°。在MagNet软件中为绕组和引线赋电流和匝数值时要保证安匝平衡，并保证绕组的电抗高度，否则计算将不收敛。

图2 绕组连接图

图3 变压器低压引线连接

图4 引线励磁线圈电路设置

2 计算分析

在完成电路设置并对模型进行网格剖分后，可对模型进行求解计算。计算采用MagNet中的三维时谐场求解器对模型进行非线性求解，通过对求解出的结构件涡流、损耗密度和磁密进行分析研究［8］。

2.1 电流及涡流分布

图5为某时刻引线及绕组电流的方向，引线中局部电流较大且不均匀是由于引线模型为单根通排或铜管，电密较大且考虑了集肤效应、涡流效应；而绕组模型中电流分布均匀，是由于绕组设置为多根并联，仿真计算时忽略绕组的集肤效应、涡流效应。

图5 低压引线及各绕组电流方向

图6 为某时刻油箱及升高座涡流分布，此时b、c相引线电流较大。由图6（a）可以看出，由于改进前低压升高座b、c两相间油箱盖为普通导磁钢，此处感应出的涡流较大，较为集中；图6（b）改进后，低压升高座下部箱盖局部更改为低磁钢板，其导磁性较弱，漏磁感应出的涡流较小，分布较为均匀；低压升高座材质为低磁钢，感应出的涡流也较小。

图6 涡流分布

2.2 大电流低压引线对结构件漏磁场的影响

为了验证大电流引线对附近结构件漏磁场的影响，进一步进行了忽略低压大电流引线只保留绕组励磁模型的计算，并与本文中引线、绕组同时励磁的模型计算结果进行对比，图7为某时刻漏磁矢量图（B相绕组中心剖面），可以看出只有绕组励磁时，油箱等结构件磁密相对较小且无集中现象；图8可以看出当存在低压大电流引线励磁时，油箱和油箱磁屏蔽磁密急剧增大且出现了集中，这是因为此时低压引线中电流较大，离箱盖较为接近，箱盖材质为普通碳素钢，具有较好的导磁性，对磁力线产生了较强的吸引作用，从而导致漏磁较为集中，可见在设计时需要考虑低压大电流引线产生的漏磁场对周围导磁结构件的影响。

图7 磁密矢量分布（无引线励磁）

图8 磁密矢量分布（有引线励磁）

图9 表明当某时刻（正弦波电流）无低压引线计算时（只有绕组励磁），磁屏蔽中漏磁通较为均匀且方向大体一致，而当低压引线和绕组同时励磁时，低压引线附近漏磁通变大，根据右手定则产生了较大的横向、纵向漏磁分量，使磁屏蔽中的磁力线方向发生了改变，如图10所示，由此可以看出低引线中的大电流使临近结构件中的漏磁通走向更为复杂且更为集中。

图9 某时刻油箱磁屏蔽磁密矢量分布（无引线励磁）

图10 某时刻磁密矢量分布（有引线励磁）

2.3 损耗密度及磁密

通过最大损耗密度和磁密值作为是否存在局部过热的依据，改进前和改进后两种模型的损耗密度和磁密分布如图11~12所示，涡流损耗密度和磁密较大区域分布在箱盖低压升高座两相之间处，最大处位于油箱两相间升高座起台与油箱开孔贴合处边沿附近，这是因为油箱顶部升高座相邻两开孔处铜排中通有相差120°的正弦电流，两相电流产生的漏磁通以及绕组产生的漏磁通相互叠加，使相邻的两开孔间油箱盖板感应出的涡流较大，且由于开孔边沿处的集肤效应较为明显，导致图11（a）所示处损耗密度较大，产生局部过热。

图11 损耗密度分布云图（隐藏升高座）

图12 磁密分布云图

通过Probe Field Values工具提取计算结果，汇总为图13和图14。由图13可知原始模型中油箱局部最大损耗密度为4 460kW／m3，远大于改进后的损耗密度149kW／m3；由图14也可以看出原始模型中油箱最大磁密1.8T大于改进后最大磁密1.14T，其他结构件无局部过热情况。通过与前期产品（合格产品以及存在过热产品）仿真验证结果值进行横向比较可以得知原始模型油箱箱盖处确实存在局部过热，而改进后的模型无局部过热。

图13 原始模型与改进后模型最大磁密对比

图14 原始模型与改进后模型最大损耗密度对比

3 温升试验

该台变压器改进前和改进后分别进行了温升试验，并通过红外测温仪对外部油箱进行测温，如图15（a）所示，改进前箱盖低压升高座两相间温度较高，局部最高温度为163℃，位于低压升高座起台与油箱箱盖开孔接合处，与图11（a）的最大损耗密度与图 12（a）最大磁密的所在位置基本吻合；图 15（b）为改进后实测温度分布，局部最高温度89.3℃，无局部过热。

图15 油箱热成像温度分布

4 结语

针对一台出现局部过热的变压器，建立了包含绕组和引线励磁的完整漏磁场模型，进行了漏磁场仿真计算，并对低压引线中的大电流在附件结构件产生的漏磁进行了对比分析和研究，计算了各结构件的损耗密度和磁密值，得到了局部过热位置；提出了改进措施方案，并对改进后的方案也进行了漏磁场仿真计算，计算结果表明改进后无局部过热，通过两种方案的仿真计算结果与温升试验红外测温实测结果进行对比，验证了本文中仿真方法和计算结果的可靠性和准确性，通过使用本文中方法对产品的仿真计算可以有效地指导产品设计，尤其是容量大、引线电流大的变压器以及变电站中电流较大设备的设计，防止结构件局部过热的发生。

［1］ 程志光.电气工程电磁热场模拟与应用［M］.北京：科学出版社，2009.

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［5］ 刘传彝.电力变压器设计计算方法与实践［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.

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［7］ 安振，白保车，邢军强.基于有限元的大型电力变压器油箱漏磁场分析及结构优化［J］.变压器，2016，53（5）：24-27.

［8］ SIPPOLA M，SEPPONEN RE.Accurate prediction of high frequency power-transformer losses and temperaturerise ［J］.IEEE Trans.Power Elect.，2002，17（5）：835-847.

Partial Overheat Caused by Composite Leakage Magnetic Field of Leads and Coils in Transformers

ZHOU Xuntong，XU Jianwen，SUN Dawei，LV Bin，ZANG Ying
（Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250001，China）

By the method of finite element simulation，electromagnetic field simulation model of a power transformer with the malfunction of partial overheat was built.The relatively complete and real electromagnetic field was simulated.Leakage magnetic field in the structural components caused by the heavy current lead and coils was researched.Partial overheat was analyzed and diagnosed.The improvement measure to prevent partial overheat was proposed.The results of the simulation are compared with the measured values，which verified the accuracy of the simulation.

transformer；leads；coils；leakage magnetic field；partial overheat；simulation

TM41

：A

：1007－9904（2017）07－0033－06

2017-02-19

周训通（1986），男，工程师，从事电磁场理论及仿真研究与变压器设计工作；

胥建文（1975），男，高级工程师，从事变压器仿真研究及管理工作；

孙大伟（1983），男，工程师，从事变压器研发工作；

吕 斌（1981），男，工程师，从事变压器设计工作；

臧 英（1983），女，高级工程师，从事变压器仿真研究工作。